Comunicação quântica em ação – descrição, características e fatos interessantes

A física quântica oferece uma maneira totalmente nova de proteger a informação. Por que é necessário, é impossível construir um canal de comunicação seguro agora? Claro, você pode. Mas os computadores quânticos já foram criados, e no momento em que se tornaram generalizados em todos os lugares, os modernos algoritmos de criptografia serão inúteis, pois esses poderosos computadores podem puxá-los em uma fração de segundo. A comunicação quântica permite criptografar informações usando fótons – partículas elementares.

Tais computadores, que têm acesso a um canal quântico, mudarão de algum modo o estado atual dos fótons. E tentar obter informações irá prejudicá-lo. A velocidade de transferência de informações é, obviamente, menor, em comparação com outros canais existentes, por exemplo, com comunicação telefônica. Mas a comunicação quântica proporciona um nível de segredo muito maior. Isso, é claro, é uma grande vantagem. Especialmente no mundo moderno, quando o cibercrima está crescendo todos os dias.

Bond quântico para "dummies"

Uma vez que o correio do pombo foi substituído pelo telégrafo, o telégrafo deslocou o rádio. Claro, é hoje, não foi a lugar nenhum, mas outras tecnologias modernas apareceram. Apenas dez anos atrás, a Internet não foi distribuída como era hoje e era difícil ter acesso a ela – era necessário ir a clubes da Internet, comprar cartas muito caras, etc. Hoje, sem a Internet, não vivemos uma hora e estamos ansiosos para isso 5G.

Mas o próximo novo padrão de comunicação não resolverá as tarefas que enfrentam a organização da troca de dados através da Internet, recebendo dados de satélites de assentamentos em outros planetas, etc. Todos esses dados devem ser protegidos de forma confiável. E pode ser organizado com a ajuda do chamado emaranhamento quântico.

O que é uma ligação quântica? Para "dummies" explicar este fenômeno como uma conexão de diferentes características quânticas. Ele persiste mesmo quando as partículas estão afastadas umas das outras uma grande distância. Criptografado e transmitido com a ajuda do emaranhamento quântico, a chave não fornecerá informações valiosas aos atacantes que tentam interceptá-lo. Tudo o que eles recebem são números diferentes, uma vez que o estado do sistema, com intervenção externa, será alterado.

Mas não foi possível criar um sistema mundial de transmissão de dados, porque depois de algumas dezenas de quilômetros o sinal desapareceu. O satélite lançado em 2016 ajudará a realizar o esquema de transferência de chave quântica em distâncias superiores a 7 mil km.

As primeiras tentativas bem-sucedidas de usar a nova conexão

O primeiro protocolo de criptografia quântica foi obtido em 1984. Hoje, esta tecnologia é utilizada com sucesso no setor bancário. Empresas famosas oferecem cryptosystems criados por eles.

A linha de comunicação quântica é realizada em um cabo de fibra óptica padrão. Na Rússia, o primeiro canal protegido foi colocado entre os ramos do Gazprombank em Novye Cheryomushki e o Wall Cow. O comprimento total é de 30,6 km, ocorrem erros na transferência da chave, mas sua porcentagem é mínima – apenas 5%.

A China lançou um satélite de comunicação quântica

O primeiro satélite do mundo deste tipo foi lançado na China. O foguete Long March-2D foi lançado em 16 de agosto de 2016 pelo cosmodrome Tszyu-Quan. Um satélite que pesa 600 kg voará por 2 anos em uma órbita sol-síncrono, 310 km (ou 500 km) de alto como parte do programa "Experimentos quânticos em escala cósmica". O período de circulação do aparelho ao redor da Terra é igual a uma hora e meia.

O satélite do vínculo quântico é chamado Micius, ou "Mo-Tzu", em homenagem ao filósofo que viveu no século V dC. E, como comumente acreditado, foi o primeiro a realizar experiências ópticas. Os cientistas vão estudar o mecanismo de emaranhamento quântico e realizar teletransporte quântico entre um satélite e um laboratório no Tibete.

O último transfere o estado quântico da partícula para uma determinada distância. Para implementar este processo, você precisa de um par de partículas emaranhadas (em outras palavras, concatenadas) que estão a uma distância umas das outras. De acordo com a física quântica, eles são capazes de capturar informações sobre o status de um parceiro, até mesmo distantes. Ou seja, é possível influenciar uma partícula que esteja em um cosmos distante, afetando seu parceiro, que está próximo, no laboratório.

O satélite criará dois fotões emaranhados e os enviará para a Terra. Se a experiência for bem sucedida, ela marcará o início de uma nova era. Dezenas desses satélites não só garantem a disseminação generalizada da Internet quântica, mas também a comunicação quântica no espaço para futuros assentamentos em Marte e na Lua.

Por que precisamos desses satélites?

Mas por que precisamos de um satélite de comunicação quântica? Os satélites convencionais já não são suficientes? O fato é que esses satélites não substituirão os convencionais. O princípio da comunicação quântica é a codificação e proteção de canais convencionais de transmissão de dados convencionais. Com a sua ajuda, por exemplo, a segurança já foi assegurada durante as eleições parlamentares de 2007 na Suíça.

A organização de pesquisa sem fins lucrativos Battelle Memorial Institute, realiza intercâmbio de informações entre escritórios nos Estados Unidos (Ohio State) e Irlanda (Dublin) usando emaranhamento quântico. Seu princípio é baseado no comportamento dos fótons – partículas elementares de luz. Com sua ajuda, as informações são codificadas e enviadas ao destinatário. Teoricamente, mesmo a tentativa mais precisa de intervenção deixará um rastro. A chave quântica mudará imediatamente e a tentativa do hacker receberá um conjunto de caracteres sem sentido. Portanto, todos os dados que serão transmitidos através desses canais de comunicação não podem ser interceptados ou copiados.

O satélite ajudará os cientistas a testar a distribuição da chave entre estações terrestres e o próprio satélite.

A comunicação quântica na China será realizada graças aos cabos de fibra óptica, com um comprimento total de 2 mil km e conectando 4 cidades de Xangai a Pequim. Uma série de fótons não pode ser transmitida infinitamente, e quanto maior a distância entre as estações, maior será a chance de que a informação seja danificada.

Depois de passar uma certa distância, o sinal desaparece e os cientistas, para manter a transmissão correta de informações, precisam de uma maneira de atualizar o sinal após cada 100 km. Nos cabos, isso é conseguido usando nós testados em que a chave é analisada, copiada por novos fotões e continua.

Um pouco de história

Em 1984, Brassard J. da Universidade de Montreal e Bennett Ch. Da IBM sugeriram que os fótons podem ser usados em criptografia para obter um canal fundamental protegido. Eles propuseram um esquema simples para redistribuição quântica de chaves de criptografia, que se chamava BB84.

Este circuito usa um canal quântico, através do qual a informação entre dois usuários é transmitida sob a forma de estados quânticos polarizados. Um espião que os escuta pode tentar medir esses fótons, mas ele não pode fazer isso, como afirmado acima, sem distorcê-los. Em 1989, no IBM Research Center, Brassard e Bennett criaram o primeiro sistema criptográfico quântico do mundo.

Qual é o sistema criptográfico óptico quântico (KOKS)

As características básicas do COCS (taxa de erro, taxa de transferência de dados, etc.) são determinadas pelos parâmetros dos elementos formadores de canais que geram, transmitem e medem os estados quânticos. Geralmente, o COCS consiste em partes de recepção e transmissão conectadas por um canal de transmissão.

Fontes de radiação são divididas em 3 classes:

• Lasers;
• Microlasers;
• Diodos emissores de luz.

Para transmitir sinais ópticos como meio, use LEDs de fibra óptica, combinados em cabos de design diferente.

A natureza do segredo da ligação quântica

Passando de sinais em que a informação transmitida é codificada por pulsos com milhares de fótons, aos sinais em que um pulso, em média, representa menos de um, as leis quânticas entram em jogo. É o uso dessas leis com criptografia clássica que possibilita o segredo.

O princípio de incerteza de Heisenberg é usado em dispositivos criptográficos quânticos e, graças a ele, qualquer tentativa de mudança no sistema quântico faz alterações, e a formação obtida como resultado de tal medida é determinada pelo falso.

A criptografia quântica oferece uma garantia de 100% contra hacking?

Dá teóricamente, mas as soluções técnicas não são totalmente confiáveis. Os atacantes começaram a usar um raio laser, com o qual eles cegam os detectores quânticos, após o que deixam de responder às propriedades quânticas dos fótons. Às vezes, fontes de multi-fótons são usadas, e bolachas podem pular uma delas e medir as mesmas.